KR20230034855A - 휠용 마그네슘 합금 및 제조방법 - Google Patents

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티에치앙 첸
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Abstract

일종의 휠용 마그네슘 합금, 포함되는 퍼센트 농도(mass percent) : Al：2 내지 3.0 중량%；Zn：0.5 내지 1.0 중량%；Mn：0.3 내지 0.5 중량%；Ce：0.15 내지 0.3 중량%； La：0.05 내지 0.1 중량%，나머지는 Mg. 본 특허의 마그네슘 합금은 Al원소와Mn원소를 주요 합금원료로 하고, 보조로 미량의Ce원소와 La원소를 합금화 공법으로 하며, 균질화과정에서 나노 스케일 (nano-scale) 고망간(Manganese-rich) 석출상（precipitate）을 얻고 희토원소Ce, La가 고망간 석출상 계면과 결정립계(grain boundary)에서 편석(segregation)을 발생하는것을 이용하여, 압출 및 단조과정에서의 조화(粗化)를 억제함으로서 합금의 강도 및 소성(塑性) 변형능력을 제고하는것이다.

Description

휠용 마그네슘 합금 및 제조방법{MAGNESIUM ALLOY FOR WHEEL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 금속자재 및 금속자재 가공분야에 언급되며 특히 일종의 스피닝(spinning)가능한 저 원가의 마그네슘 합금 및 그 제조 방법에 관련되는것이다.
아시다싶이 마그네슘의 밀도는 약 1.74g/cm3로 알루미늄의 2/3, 강철의 1/4로서, 많은 금속 중 마그네슘 합금은 현재 사용 가능한 가장 가벼운 금속구조 자재이다. 비강도(specific strength ) 비강성(specific stiffness)이 높고, 완화성, 전자기 차폐, 항방사능력이 강하며 절단가공이 쉽고 녹색회수 등 우점이 있어 자동차, 전자, 전기, 교통, 항공항천 등 분야에서 광범위한 응용 전망이 있으며 강철과 알루미늄 합금이후 발전된 경량화 금속구조 자재일뿐더러 동시에 생물의 학자재와 공기전지 등 기능자재로 개발될 전망이 있고 또한 21세기 녹색공사자재로 불리운다.
현재, Mg-Al계의 합금은 주로AZ31， AM60， AZ61，AZ80， AZ91등 상업용 합금이 있고 이미 가장 광범위하게 응용되고 있는 상업용 마그네슘 합금이다.
하지만, 마그네슘은 육방밀집구조의 결정립구조가 ＜200℃ 조건하에 면심입방 혹은 체심입방기관 보다 슬립 시스템(slip　system　)이 충분하고 소성이 부족하며 일반적으로 비교적 높은 온도하에서 가공변형이 가능하다. 마그네슘은 실온 조건하에 합금강도 및 소성이 비교적 나리고 겸하여 고려하기가 어려워서 마그네슘 합금의 광범위한 응용을 제약하였다. 그래서 가공온도를 제고하면 결정립을 조화(粗化)하고 자재의 전체 역학적 성능을 감소하며 가공 원가도 진일보 증가된다. 이로하여 실온 혹은 비교적 낮은 온도하에 우월한 성형능력을 가진 마그네슘 합금 자재의 개발은 마그네슘 및 그 합금이 자동차, 철로교통, 항공 등 분야에서의 광범위한 응용을 대대적으로 추진하고 마그네슘 합금의 응용범위를 개척하는데 중요한 현실적 의의가 있다.
근년래 대량의 연구사업은 여러가지 방법을 통하여 고온 소성 마그네슘 합금을 제조하였고 국내외에서 점차적으로 일부 고온 소성 마그네슘 합금이 연속 보도되고 있다. 신청발표번호 : CN101381831A의 특허에서 일종의 고소성 마그네슘 합금을 공개, 동 합금의 마그네슘, 아연, 지르코늄의 비율은 각기80 내지 83%, 12 내지 15%, 2 내지 8%，그리고 질량비의 23 내지 27%를 차지하는 리튬, 총 질량비의 7 내지 9%를 차지하는 망간, 총 질량비의 4 내지 6%를 차지하는 이트륨이 있다. 정련과 열처리, 압출을 통하여 제조한 합금의 실온 연실율은42 내지 49%이 있다. 하지만 동 합금은 대량의 리튬을 함유하고 있어 정련과정에 진공화(vacuumize) 혹은 아르곤 가스를 통한 보호를 해야할뿐만 아니라 산소함유량을 엄격히 제어하여야 하며; 다른 한면으로 동 합금에는 대량의 희토원소 - 이트륨과 리튬을 함유하여 합금의 원가를 제고하였다. 신청발표번호 CN102925771A의 특허에서는 일종의 고실온 소성 마그네슘 합금자재 및 그 제조준비 방법을 공개하였다:
퍼센트 농도비 Li：1.0 내지 5.0%， Al：2.5 내지 3.5%, Zn：0.7 내지 1.3%, Mn： 0.2 내지 0.5%, 불순물 ≤0.3%, 나머지는 마그네슘이다. 조제한 순수 리튬과AZ31마그네슘 합금을 통하여 진공화 및 불활성 기체를 주입하여 정련제조한다. 제조한 합금은 실온하에 연신율이 14 내지 31% 사이 이다. 마찬가지로 동 합금 정련은 공법이 복잡하고 전체 실온 연신율이 여전이 비교적 낮다. 신청발표번호 : CN102061414A의 특허에서 일종의 고소성 마그네슘 합금 및 그 제조 방법을 공개, 그 성분은Al：0.5 내지 2%，Mn：2%，Ca：0.02 내지 0.1%，나머지는 마그네슘으로 그 실온 연신율은 25%에 달한다. 동 발명의 합금은 원가가 비교적 낮으나 연신율이 여전히 비교적 낮다. 이처럼 기존의 고실온 소성발명이 구비한 실온 소성은 여전히 나린바, 각 업종의 고강 마그네슘 합금의 원가가 낮고, 가공이 쉬우여 고성능의 요구를 만족하기 위해서는 간단한 생산가공 과정을 통하여 우월한 실온 소성의 마그네슘 합금자재의 제조가 절박히 수요되며 이 또한 중국 풍부한 마그네슘 저장자원 우세를 개척할수 있어 중대한 국민경제 및 사회적 의의가 있다.
현재 마그네슘 합금 휠 허브는 전통 단조공법으로 생산제조, 그중 스포크와 휠림부분은 단조공법을 통하여 획득. 하지만 전통적인 단조공법 가공은 크다란 단조설비가 필요하고 가공위험이 크며 금속손실이 크고 원가가 높다. 단조 스피닝공법 가공은 금속 이용율을 대대적으로 제고할뿐더러 단조설비의 무게를 감소한다. 단조 스피닝 공법 중의 휠림부위는 스피닝 공법으로 성형. 스피닝 공법 성형에 있어서 몰드의 가열이 쉽지않고 마그네슘 합금의 반제품 즉 사전가열을 통하여 스피닝 성형 과정에 있어서 여전히 비교적 큰 열량 손실이 발생하므로 스피닝 공법은 마그네슘 합금의 저온 성형 성능요구가 높다. 현재 저온 스피닝 성능이 우월한 마그네슘 합금 자재 ZK30 마그네슘 합금 자재는 Zr원소를 추가하여 제조준비 원가가 비교적 높다. 이로하여 저온하에 스피닝하고 또한 역학적 성능이 우월한 저원가 마그네슘 합금이 절박히 필요하다.
상술한바와 같이 본 특허에서는 일종의 휠용 마그네슘 합금 및 그 제조 방법을 제공하여 마그네슘 합금으로 하여 양호한 저온 스피닝 성능(온도<360℃)을 구비하고 또한 성형후 우월한 강도와 소성을 구비한다. 동시에 경희토 함량이 적고 원자재 및 가공 원가가 저렴하여 대용량 생산가능하다.
일종의 휠용 마그네슘 합금, 포함하는 퍼센트 농도는Al：2 내지 3.0 중량%；Zn：0.5 내지 1.0 중량%；Mn：0.3 내지 0.5 중량%；Ce：0.15 내지 0.3 중량%； La：0.05 내지 0.1 중량%, 나머지는 Mg이다.
일부 실시예에서 불가피한 불순물도 포함한다.
일종의 상술한 마그네슘 합금의 제조 방법으로 아래와 같은 절차를 포함한다 : (1) 원료배합, 퍼센트 농도(mass percent): Al：2 내지 3.0 중량%；Zn：0.5 내지 1.0 중량%；Mn：0.3 내지 0.5 중량%；Ce：0.15 내지 0.3 중량%； La：0.05 내지 0.1 중량%，나머지는 Mg이다.
(2) 정련, 순수 마그네슘 잉곳(magnesium ingot)을 용융로(smelting furnace)의 도가니(Crucible)에 넣고, 로내 온도를700 내지 730℃로 설정 및 유지. 용화(熔化)후 예열된50 내지 80℃의 순수 Al 덩어리 및 순수Zn덩어리를 마그네슘 액체에 추가. 정련온도를760℃까지 올려서50 내지 80℃로 예열된Al-Mn 중간합금(intermediate　alloy), Mg-Ce-La중간합금, Mg-Ce을 마그네슘 용액에 추가한다. 계속하여 정련온도를 780℃까지 올려서 5 내지 15분간 보온한후, 3 내지 10분간 교반하고, 고도 순수Ar를 가입하여 정련 탈가스(degassing refining)처리를 진행하며 제어온도는710℃ 내지 730℃로 조절하고2 내지 10분간 보온한다;
(3) 주입, 주입온도는 680℃ 이상으로 제어된다.
(4) 응력제거 처리, 280 내지 320℃하에 8 내지 12h 보온하고 공랭(air cooling)이다.
(5) 압출변형, 응력제거 처리후의 마그네슘합금은 30분 내에 250 내지 380℃로 가열후, 몰드에 넣어 변형가공 진행; 압출속도 1m/min 내지 8m/min, 현가공후 공랭된다.
일부 실시예중 정련과정은 CO2와SF6 의 혼합기체 보호하에 진행된다.
일부 실시예중, 정련 완료후 표면의 스컴(scum)을 제거하고 몰드에 주입하여 마그네슘 합금을 제작한다.
일부 실시예중, 응력제거 처리후 압출변형하기전 반제품으로 절단 및 껍질제거 공법 포함한다.
일부 실시예중, 정련과정에서의 교반은 기계교반과 /혹은 아르곤 교반 포함한다.
일부 실시예중, 서술한 Al-Mn중간합금은 Al-20Mn중간합금이고, 서술한 Mg-Ce-La중간합금은 Mg-15Ce-10La중간합금, 서술한Mg-Ce 중간합금은 Mg-30Ce 중간합금이다.
일부 실시예중, 서술한CO2 및 SF6 의 혼합기체는 체적비가 50～100:1이다.
일종의 상술한 마그네슘 합금에 근거하여 휠 제조하는 공법은 아래 절차 포함한다. (1) 6000톤 단조 프레스 설비에서 단조진행; (2) 휠림 스피닝, 스피닝 온도는 260℃ 내지 360℃이다.
현존 기술과 비교하면 본 특허의 현저한 진보 및 우월 점은 아래와 같다 :
1) 본 특허의 마그네슘 합금은Al원소와 Mn원소를 주요 합금원료로 하고, 보조로 미량의 Ce원소와La원소를 합금화 공법으로 하며, 균질화과정에서 납미급(Nanoscale) 고망간 석출상를 얻고 희토원소Ce, La가 고망간석출상 계면과 결정립계(grain boundary）에서 편석을 발생하는것을 이용하여, 압출 및 단조과정에서의 조화(粗化)를 억제함으로서 합금의 강도 및 소성(塑性) 변형능력을 제고하는 것이다.
고실온 소성 변형 마그네슘 합금 자재를 획득하고 단조 스피닝( Spinning　)공법을 통하여 마그네슘 합금 휠 허브를 제조, 휠림(wheel rim)의 실온 인장 항복강도는 190MPa, 항장력 280MPa, 연신율 15.8% 이상. 현재 상업용 고속 압출한 마그네슘 합금AZ31은 동일한 단조 스피닝 조건하에 제조준비된 휠 허브 휠림의 인장 항복강도는 133MPa, 항장력 242MPa, 실온 인장 연신율은 8.7%밖에 안된다.
2) 본 발명은 오직 미량의 희토Ce 및 La를 함유하고 중간AlMn합금은 가격이 저렴한 바 합금 원가가 나림(경희토Mg-Ce-La와 MgCe 중간합금은 일반적으로 35 내지 50위엔/Kg, 본 특허에서 사용되는 중간AlMn합금은 키로당 오직 45위엔 좌우); 마그네슘 합금 휠 허브로 제조하는 외에 또한 창문 틀, 시트 프레임(seat frame) 등 자동차 부품 생산에 광범위하게 응용되고; 또한 각종의 형재로 압출하여 항공항천분야의 부품 반제품으로 사용가능하다.
3) 본 발명의 마그네슘 합금 제조 공법은 간단하여, 대다수 고강인 마그네슘 합금이 요구하는 대소성(大塑性) 변형 등 특수 가공방식의 제한을 돌파하였으며, 기존의 마그네슘 합금 압출설비는 모두 연속적으로 가공생산 가능하여 이외로 개진이 필요없어 생산설비에 대한 요구가 낮다.
제조한 합금은 항고온 산화성이 비교적 양호하여 본 발명조건하에서는 보호기체 필요없이 주입 및 열처리 가능하다.
본 발명의 일부로 구성되는 첨부도면은 본 발명에 대한 진일보 이해를 제공하고, 본 발명의 안내적 실시례 및 그 설명은 본 발명의 해석에 사용되나 본 발명에 대해 부당한 제한을 하지 않는다. 첨부 도면중 :
도 1은 실시예1,2,3 마그네슘 합금과 대비예의 실온 인장시험 응력응변 곡선이다.
도 2는 실시예1이 압출방향으로 평형되는 현미조직이다.
도 3은 실시예2가 압출방향으로 평형되는 현미조직이다.
도 4는 실시예3이 압출방향으로 평형되는 현미조직이다.
도 5는 대비예가 압출방향으로 평형되는 현미조직이다.
도 6은 실시예 1 합금의 TEM조직이다.
여기서 설명이 필요한것은, 충돌되지 않는 상황하에 본 발명중의 실시예 및 실시예중의 특징은 상호조합가능하다.
아래 첨부도면 참조 및 실시예와 결합하여 본 발명의 기술방안에 대해 명확하고 완정하게 서술. 당연히 서술한 실시예는 본 발명의 일부 실시예에 해당되고 모든 실시예가 아니다. 본 발명의 실시예에 근거하여, 본 분야 보통 기술인원이 창조적인 노동을 창출하지 않은 전제하에 획득한 모든 기타 실시예는 모두 본 발명의 보호범위에 속한다.
본 합금은 일종 신형의 저알루미늄 고망간 경희토의 Mg-Al-Mn -La-Ce 합금이다.
본 발명의 기술방안은 : 일종 휠용 마그네슘 합금, 본 합금은Mg-Al-Zn-Mn-La-Ce 합금, 그 화학성분 퍼센트 농도는Al：2 내지 3.0 중량%；Zn：0.5 내지 1.0 중량%；Mn：0.3 내지 0.5 중량%；Ce：0.15 내지 0.3 중량%； La：0.05 내지 0.1 중량%，나머지 나머지는 Mg 및 불가피한 불순물이다.
일종 상술한 마그네슘 합금 제조 방법, 아래 절차 포함한다.
(1) 원료배합: 순수 마그네슘 잉곳(magnesium ingot), 순수Al 덩어리 및 순수Zn 덩어리, Al-Mn중간합금, Mg-Ce-La 중간합금과Mg-Ce 중간합금을 원료로 하고 상술한 마그네슘 합금 성분에 따라 배합 진행한다.
(2) 정련, 순수 마그네슘 잉곳(magnesium ingot)을 용융로(smelting furnace)의 도가니(Crucible)에 넣고, 로내 온도를700 내지 730℃로 설정 및 유지된다. 용화(熔化)후 예열된50 내지 80℃의 순수 Al 덩어리 및 순수Zn덩어리를 마그네슘 액체에 추가된다. 정련온도를760℃까지 올려서50 내지 80℃로 예열된 AlMn 중간합금(intermediate　alloy)이고, Mg-Ce-La중간합금, Mg-Ce을 마그네슘 용액에 추가된다. 계속하여 정련온도를780℃까지 올려서 5 내지 15분간 보온한후, 3 내지 10분간 교반하고, 고도 순수Ar를 가입하여 정련 탈가스(degassing refining)처리를 진행하며 제어온도는 710℃ 내지 730℃로 조절하고2 내지 10분간 보온되고; 정련과정은CO2/SF6 혼합기체 보호하에 진행된다.
(3) 주입: 표면 스컴을 제거하고 마그네슘 합금 용체를 상응한 몰드에 주입하여 주조 마그네슘 합금을 획득하고, 주입온도는680℃ 이상으로 제어. 주입과정은 기체보호 필요없다.
(4) 응력제거 처리: 응력제거 처리 공법은 280 내지 320℃하에8 내지 12h보온하고 공랭(air cooling). 응력제거 처리의 가열과 보온과정은 기체보호 필요없다. 상기 응력제거 처리후 조괴는 상응한 반제품으로 절단하고 껍질을 제거한다.
(5) 압출변형: 상기 절차에서 획득한 반제품 자재는 30분내에 250 내지 380℃로 가열후, 몰드에 넣어 변형가공 진행; 압출속도 1m/min 내지 8m/min, 변형가공후 공랭. 최종 상술한 소성 마그네슘 합금자재를 획득한다.
상술한 정련과정에서의 교반은 기계교반 및/혹은 아르곤 교반이다.
상술한 Al-Mn중간합금은 Al-20Mn중간합금이다.
상술한 Mg-Ce-La중간합금은 Mg-15Ce-10La중간합금이다.
상술한 Mg-Ce 중간합금은 Mg-30Ce 중간합금이다.
상술한 CO2 및 SF6 의 혼합기체는 체적비가CO2:SF6＝50 내지 100:1이다.
일종의 상술한 마그네슘 합금에 근거하여 휠을 제조하는 공법으로 아래 절차 포함 : (1) 단조 스피닝: 상기 서술한 소형 마그네슘 합금자재를 6000톤 단조 프레스에서 단조진행, 단조온도320℃ 내지 420℃；（2） 단조후 휠림 스피닝, 스피닝 온도260℃ 내지 360℃, 최종 상술한 마그네슘 합금 휠 허브 획득. 상술한 몰드는 봉재, 판낼, 파이프, 선재, 형재를 성형하는 몰드이다.
본 발명의 실질적 특징은 : 마그네슘 합금에서는 일반적으로 결정립 세분화를 통하여 합금의 침전 강화상 수량 및 사이즈를 조정 및 제어하고 합금texture 최적화 등 합금의 실온강도 및 소성을 제고한다.
본 발명의 기술원리는 : 합금원소 중 저Al, 고Mn이 합금 균질화 과정에서Al-Mn석출상, Al-Mn석출상을 획득하여 결정립계를pinning하고, 결정립계 이전을 억제하며 희토원소는Al-Mn석출상 계면에서 편석이 발생하여 응고과정에서의 AlMn상의 모양과 분포를 개선하고, 압출 및 단조과정에서의 조화를 억제하며 결정립 세분화에 유리하고 강도를 제고하며 경희토를 추가하여도Al-Mn 과립물 세분화 목적에 달성할수 있다.
본 발명에서 Al：2 내지 3.0 중량%：Al함량이2 중량%보다 작을시, 완전히 마그네슘 매트릭스（Magnesium matrix）에 고용(固溶)하고, Mn과 침전상을 형성하지 못하고 강화역할을 하지 못한다; Al함량이3 중량%이상일시, Al원소는결정립계에서 농축하고 결정립변형을 저지하며, 수차 실천증명결과, 고Al함량의 자재는 스피닝 과정에서 단열이 쉽게 발생한다.
본 발명에서 Zn: 0.5 내지 1.0 중량%；적량한Zn가Al, Ce, La와 결합하여 강화효과가 비교적 높은 침전상을 형성한다.
본 발명에서 Mn: 0.3 내지 0.5 중량%；Mn의 함량이0.3 중량% 이하일시 형성된고망간상 수량이 비교적 적고, 결정립의 성장을 저지하기 어려우며 제고하는 강도가 제한; Mn의 함량이0.5 중량%이상 일시 형성된 고망간상이 쉽게 편석하고, 자재의 개열을 쉽게 일으킨다.
본 발명에서 Ce：0.15 내지 0.3 중량%； La：0.05 내지 0.1 중량%；이 두가지 경희토 원소를 추가한 원인은Ce와 La원자가 마그네슘 합금 기본 물체에 고용한후, 원자의 사이즈와 Mg원자의 사이즈 차이가 비교적 커서 나노 스케일 고망간 석출상 계면에서 편석 발생이 치우치며 이로하여 자유 에너지를 감소한다. 동 편석의 발생은 나노 스케일 고망간상이 압출과 단조 과정에서의 조화를 유효적으로 억제하여 나노 스케일 고망간의 세분화 결정립을 제고하는데 유리하다.
본 발명은 최종 변형 마그네슘 합금자재를 획득. 단조 스피닝 공법을 통하여 마그네슘 합금 휠허브를 제조하고 휠림의 실온 인장 항복력은190MPa, 항장력280MPa, 연신율 15.8%이상에 달한다.
일반적인Al-Zn-Mn합금(AZ31합금 : Al：2.5 내지 3.5 중량%；Zn：0.6 내지 1.4%；Mn：0.12 내지 1.0%은 동일한 단조 스피닝 공법을 통해 제조한 마그네슘 합금 휠 허브의 품질 안전성이 비교적 낮고 일부 휠 허브의 휠림은 횡형 미세균열이 발생, 개열되지 않은 휠 허브의 휠림의 실온 인장 항복력은 133MPa，항장력 242MPa, 연신율8.7%이다.
3가지 합금성분 Mg-2Al-0.7Zn-0.5Mn-0.3Ce-0.1La ( 중량％)(합금1), Mg-2.6Al-0.9Zn-0.36Mn-0.2Ce-0.05La( 중량％)（합금2）,Mg-2.9Al-0.6Zn-0.4Mn-0.2Ce-0.05La (wt％)(합금3)을 전형적인 예로 한다. 본 발명의 기술방안에 따라 순수Mg(99.8wt％)덩어리, 순수Al(99.9wt％) 덩어리, 순수Zn(99.9wt％)덩어리, AlMn 중간합금, Mg-15Ce-10La (Ce실체 측정함량은 15.35wt％，La 실제 측정함량은9.19% 중량%) 중간합금 및 Mg-30Ce(Ce실제 측정함량은 30.02wt％) 중간합금을 합금화 원료로 하고, 정련을 거쳐 저원가 마그네슘 합금 조괴（ingot making）로 만듬; 응력제거 처리 및 껍질제거 처리를 거친 반제품은 센스 가열로에 넣어 압출온도280℃로 신속히 가열하고 압출가공을 거쳐 마그네슘 합금 반제품을 봉재로 변형가공하며 압출속도3m/min, 압출비 2, 압출후 봉재는 공랭; 그리고 다시 봉재에 대해 단조 스피닝을 통해 마그네슘 합금 휠 허브로 가공, 동시에 휠 허브의 휠림에 대해 역학성능 테스트 진행, 실시예 및 대비예AZ31의 실온 역학성능 테스트는 표1 참조한다.
실시예1: Mg-2Al-0.7Zn-0.5Mn-0.3Ce-0.1La 　(wt％)합금성분을 선택하여 마그네슘 합금으로 배분, 제조 방법은 아래 절차 포함한다.
(1) 원료배합, 순수Mg덩어리,순수Al덩어리, 순수Zn덩어리, AlMn중간합금, Mg-Ce중간합금과 Mg-Ce 중간합금을 원료로 하고 상술한 목표성분에 따라 배합된다.
(2) 정련: 순수 마그네슘 잉곳(magnesium ingot)을 용융로(smelting furnace)의 도가니(Crucible)에 넣고, 로내 온도를700 내지 730℃로 설정 및 유지. 용화(熔化)후 예열된50 내지 80℃의 순수 Al 덩어리 및 순수Zn덩어리를 마그네슘 액체에 추가. 정련온도를760℃까지 올려서50 내지 80℃로 예열된AlMn 중간합금(intermediate　alloy), Mg-Ce-La중간합금, Mg-Ce을 마그네슘 용액에 추가한다. 15분간 보온한후, 5분간 교반하고, 고도 순수Ar를 가입하여 정련 탈가스(degassing refining)처리를 진행하며 제어온도는720℃로 조절하고8분간 보온한다; 정련과정은CO2/SF6 혼합기체 보호하에 진행한다.
(3) 주입: 표면 스컴을 제거하고 마그네슘 합금 용체를 상응한 몰드에주입하여 주조 마그네슘 합금을 획득하고, 주입온도는 680℃ 이상으로 제어. 주입과정은 기체보호 필요없다.
(4) 응력제거 처리: 응력제거 처리 공법은 300℃하에 10h보온하고 공랭(air cooling)한다. 상기 응력제거 처리후 조괴는 상응한 반제품으로 절단하고 껍질을 제거한다.
(5) 압출변형: 상기 절차에서 획득한 반제품 자재는 30분내에 280℃로 가열후, 몰드에 넣어 변형가공 진행; 압출속도4m/min, 변형가공후 공랭. 최종 상술한 소성 마그네슘 합금자재를 획득한다.
상술한 마그네슘 합금 자재로 휠을 제조함에 있어서 단조 및 스피닝 포함한다: (1) 상기 서술한 소형 마그네슘 합금자재를 6000톤 단조 설비에서 단조진행, 단조 온도380℃; (2) 단조후 휠림 스피닝 진행, 스피닝 온도360℃, 최종 상술한 마그네슘 합금 휠 허브 획득한다.
실시예 1에서 획득한 휠 허브의 휠림에서70mm의 샘플을 절취하여 직경이5mm, 표점거리(Gauge Length)32mm인 원봉(途棒) 모양 인장샘플로 인장테스트 진행. 샘플 원봉의 축선 방향과 자재의 압출류선 방향이 동일하다. 본 발명의 상술한 마그네슘 합금의 인장강도는 280MPa, 항복강도는 190MPa， 연신율15.8%, 도면 1 참조. 동 실시예에서 획득한 마그네슘 합금은 고강도와 고연신율을 구비한다. 동 실시예에서 획득한 마그네슘 합금의 전형적인 인장 곡선은 도면 1과 같다. 도면 2는 본 실시예에서 제작한Mg-2Al-0.7Zn-0.5Mn-0.3Ce-0.1La　(wt%) 마그네슘 합금이 압출방향과 평형되는 현미조직 모양으로서, 동 상태도(constitution diagram　)에서 또 알수있다싶이 합금은 스피닝 과정에서 완전동태 재결정립이 발생하고 결정립의 사이즈는 8μm좌우이다.
실시예2 : Mg-2.6Al-0.9Zn-0.36Mn-0.2Ce-0.05La 　(wt％)합금성분의 선택하여 마그네슘 합금을 배합하고, 제조하는 방법은 아래절차 포함한다.
1) 원료배합:순수Mg덩어리,순수Al덩어리, 순수Zn덩어리, AlMn중간합금, Mg-Ce중간합금과 Mg-Ce 중간합금을 원료로 하고 상술한 목표성분에 따라 배합한다.
2) 정련: 순수 마그네슘 잉곳(magnesium ingot)을 용융로(smelting furnace)의 도가니(Crucible)에 넣고, 로내 온도를730℃로 설정 및 유지한다. 용화(熔化)후 예열된50 내지 80℃의 순수 Al 덩어리 및 순수Zn덩어리를 마그네슘 액체에 추가한다. 정련온도를760℃까지 올려서50 내지 80℃로 예열된AlMn 중간합금(intermediate　alloy), Mg-Ce-La중간합금, Mg-Ce을 마그네슘 용액에 추가한다. 15분간 보온한후, 5분간 교반하고, 고도 순수Ar를 가입하여 정련 탈가스(degassing refining)처리를 진행하며 제어온도는 720℃로 조절하고8분간 보온한다; 정련과정은CO2/SF6 혼합기체 보호하에 진행한다.
3) 주입: 표면 스컴을 제거하고 마그네슘 합금 용체를 상응한 몰드에주입하여 주조 마그네슘 합금을 획득하고, 주입온도는680℃ 이상으로 제어. 주입과정은 기체보호 필요없다.
4) 응력제거 처리: 응력제거 처리 공법은 300℃하에10h보온하고 공랭(air cooling). 상기 응력제거 처리후 가열 및 보온과정은 기체보호 필요없다.
상기 획득한 고용처리후의 조괴는 상응한 반제품으로 절단하고 껍질을 제거한다.
5) 압출변형: 상기 절차에서 획득한 반제품 자재는 30분내에300℃로 가열후, 몰드에 넣어 변형가공 진행; 압출속도5m/min, 변형가공후 공랭. 최종 상술한 소성 마그네슘 합금자재를 획득한다.
상술한 마그네슘 합금 자재로 휠을 제조함에 있어서 단조 및 스피닝 포함한다 : (1) 상기 서술한 소형 마그네슘 합금자재를 6000톤 단조 설비에서 단조진행, 단조 온도370℃; (2) 단조후 휠림 스피닝 진행, 스피닝 온도350℃, 최종 상술한 마그네슘 합금 휠 허브 획득한다.
실시예 1에서 획득한 휠 허브의 휠림에서 70mm의 샘플을 절취하여 직경이 5mm, 표점거리 32mm인 원봉모양 인장샘플로 인장테스트 진행한다. 샘플원봉의 축선 방향과 자재의 압출류선 방향이 동일하다. 본 발명의 상술한 마그네슘 합금의 인장강도는 270.3MPa, 항복강도는 172.1MPa， 연신율 11.9%, 도면 1 참조. 동 실시예에서 획득한 마그네슘 합금은 고강도와 고연신율을 구비한다. 동 실시예에서 획득한 마그네슘 합금의 전형적인 인장 곡선은 도면 1과 같다. 도면 2는 본 실시예에서 제작한 Mg-2.6Al-0.9Zn-0.36Mn-0.2Ce-0.05La 　(wt％) 마그네슘 합금이 압출방향과 평형되는 현미조직 모양으로서, 동 상태도에서 또 알수있다싶이 합금은 스피닝 과정에서 완전동태 재결정립이 발생하고 결정립의 사이즈는12μm좌우이다.
실시예3 : Mg-2.9Al-0.6Zn-0.4Mn-0.2Ce-0.05La　(wt％)합금성분을 선택하여 마그네슘 합금을 배합하고, 제조하는 방법은 아래절차 포함한다.
1) 원료배합:순수Mg덩어리, 순수Al덩어리, 순수Zn덩어리, AlMn중간합금, Mg-Ce-La중간합금과 Mg-Ce 중간합금을 원료로 하고 상술한 목표성분에 따라 배합한다.
2) 정련: 순수 마그네슘 잉곳(magnesium ingot)을 용융로(smelting furnace)의 도가니(Crucible)에 넣고, 로내 온도를730℃로 설정 및 유지. 용화(熔化)후 예열된50 내지 80℃의 순수 Al 덩어리 및 순수Zn덩어리를 마그네슘 액체에 추가한다. 정련온도를760℃까지 올려서50 내지 80℃로 예열된AlMn 중간합금(intermediate　alloy), Mg-Ce-La중간합금, Mg-Ce을 마그네슘 용액에 추가한다. 15분간 보온한후, 5분간 교반하고, 고도 순수Ar를 가입하여 정련 탈가스(degassing refining)처리를 진행하며 제어온도는 720℃로 조절하고8분간 보온한다; 정련과정은CO2/SF6 혼합기체 보호하에 진행한다.
3) 주입: 표면 스컴을 제거하고 마그네슘 합금 용체를 상응한 몰드에주입하여 주조 마그네슘 합금을 획득하고, 주입온도는 680℃ 이상으로 제어. 주입과정은 기체보호 필요없다.
4) 응력제거 처리: 응력제거 처리 공법은 300℃하에 10h 보온하고 공랭(air cooling)한다. 상기 응력제거 처리후 가열 및 보온과정은 기체보호 필요없다.
상기 획득한 고용처리 후의 조괴는 상응한 반제품으로 절단하고 껍질을 제거한다
5) 압출변형: 상기 절차에서 획득한 반제품 자재는 30분내에310℃로 가열후, 몰드에 넣어 변형가공 진행; 압출속도6m/min, 변형가공후 공랭. 최종 상술한 소성 마그네슘 합금자재를 획득한다.
상술한 마그네슘 합금 자재로 휠을 제조함에 있어서 단조 및 스피닝 포함한다 : (1) 상기 서술한 소형 마그네슘 합금자재를 6000톤 단조 설비에서 단조진행, 단조 온도390℃이고; (2) 단조후 휠림 스피닝 진행, 스피닝 온도360℃, 최종 상술한 마그네슘 합금 휠 허브 획득한다.
실시예3에서 획득한 휠 허브의 휠림에서 70mm의 샘플을 절취하여 직경이 5mm, 표점거리 32mm인 원봉모양 인장샘플로 인장테스트 진행. 샘플원봉의 축선 방향과 자재의 압출류선 방향이 동일하다. 본 발명의 상술한 마그네슘 합금의 인장강도는 273MPa, 항복강도는178MPa， 연신율11.4%이다.
도면 1 참조. 동 실시예에서 획득한 마그네슘 합금은 고강도와 고연신율을 구비한다. 동 실시예에서 획득한 마그네슘 합금의 전형적인 인장 곡선은 도면 1과 같다. 도면 4는 본 실시예에서 제작한 Mg-2.9Al-0.6Zn-0.4Mn-0.2Ce-0.05La　(wt％) 마그네슘 합금이 압출방향과 평형되는 현미조직 모양으로서, 동 상태도에서 또 알수있다싶이 그 특징은 실시예1과, 실시예 2의 특징과 비슷하고, 합금은 스피닝 과정에서 완전동태 재결정립이 발생하고 결정립의 사이즈는 15μm좌우이다.
도면 5는 실시례 합금 TEM조직도로, 그림에서 나노 스케일 고망간상 부근에MgRE상의 존재를 발견할수 있으며, 후속 열처리에서나노 스케일 고망간상의 조화를 저지하고 동시에 합금에는 비교적 많은 나노 스케일 석출상이 존재하는것을 관찰할수 있다. 이런 석출이 빨리 발생하여 합금실온 소성을 개선한다.
대비예는 일종의 현재 상업용AZ31 마그네슘 합금 : Mg-2.8Al-0.9Zn-0.3Mn(wt％)마그네슘 합금이다. 대비예(실시예1과 동등 단조 스피닝 조건하에 획득)가 인장 테스트에서의 전형적인 응력응변 곡선은 그림 1과 같다. 그 항장력은 242MPa, 항복강도는 133MPa, 연신율 8.7％, 그림 1참조. 대비해보면, 본 발명의 신형 마그네슘 합금 실온강도 및 연신율은 대비예와 비해 현저한 제고가 있다. 대량의 희토원소 첨가 및 대소성 변형후의 합금과 유사한 효과를 실현하였는바 일종의 마그네슘 합금 휠 허브를 제조하는 분야에서 시장경쟁력이 강한 신형 저원가 고강인 마그네슘 합금자재이다.
상기 실시예중에서 사용한 원자재 및 설비는 모두 공지된 경로를 통해 획득하고, 사용한 조작공법은 본 기술분야의 기술인원이 파악할수 있는공법이다.
합금성분（wt%） 인장강도
MPa		 항복강도
MPa		 연신율
%
실시예1 Mg-2Al-0.7Zn-0.5Mn-0.3Ce-0.1La 280 190 15.8
실시예2 Mg-2.6Al-0.9Zn-0.36Mn-0.2Ce-0.07La 270 172 11.9
실시예3 Mg-2.9Al-0.6Zn-0.4Mn-0.2Ce-0.05La 273 178 11.4
대비예 AZ31 242 133 8.7
실시예 및 대비예의 실온 역학성능 테스트 결과
제조공법 90°충격 극한테스트(충격극한 고도） 반지름방향 피로 굽힘피로（overload） 굽힘피로（underloading） 13°충격
전통자재로 제조한 휠 12mm 280만（극한） 35만（극한） 190만（극한） 합격
신규 자재로 제조한 휠 7.2mm 346만（극한） 47만（극한） 334만（극한） 합격
신뢰성 테스트 데이타 도표
상술내용은 본 발명의 가장 우수한 실시예일뿐더러 본 특허를 제한하지 않는다. 본 특허의 정신 및 원칙내에서 어떠한 수정이나 동등교체, 개진 등은 모두 본 특허의 보호범위내에 속한다.

Claims (9)

  1. 휠용 마그네슘 합금로서,
    퍼센트(mass percent) 농도가 :
    Al：2 내지 3.0 중량%；
    Zn：0.5 내지 1.0 중량%；
    Mn：0.3 내지 0.5 중량%；
    Ce：0.15 내지 0.3 중량%；
    La：0.05 내지 0.1 중량%;
    나머지는 Mg;을 포함하는,
    휠용 마그네슘 합금.
  2. 제1항에 있어서,
    휠용 마그네슘 합금에 근거하여, 그 특징은 불가피한 불순물도 포함하는,
    휠용 마그네슘 합금.
  3. 휠용 마그네슘 합금을 제조하는 방법으로서,
    (1) 원료배합(配料)으로서， 퍼센트 농도가 :
    Al：2 내지 3.0 중량%；
    Zn：0.5 내지 1.0 중량%；
    Mn：0.3 내지 0.5 중량%；
    Ce：0.15 내지 0.3 중량%；
    La：0.05 내지 0.1 중량%;
    나머지는 Mg로 원료배합을 진행하는 것,
    (2) 정련으로서, 순수 마그네슘 잉곳(magnesium ingot)을 용융로(smelting furnace)의 도가니(Crucible)에 넣고, 로내 온도를700 내지 730℃로 설정 및 유지하고, 용화(熔化) 후 예열된 50 내지 80℃의 순수 Al 덩어리 및 순수Zn덩어리를 마그네슘 액체에 추가하고. 정련 온도를 760℃까지 올려서 50 내지 80℃로 예열된Al-Mn 중간합금(intermediate　alloy), Mg-Ce-La중간합금, Mg-Ce을 마그네슘 용액에 추가하고, 계속하여 정련온도를 780℃까지 올려서 5 내지 15분간 보온한 후, 3 내지 10분간 교반하고, 고도 순수Ar를 가입하여 정련 탈가스(degassing refining)처리를 진행하며 제어온도는 710℃ 내지 730℃로 조절하고 2 내지 10분간 보온하는 것,
    (3) 주입으로서, 주입온도는 680℃ 이상으로 제어하는 것,
    (4) 응력제거 처리로서, 280 내지 320℃하에 8 내지 12h 동안 보온하고 공랭(air cooling)하는 것,
    (5) 압출변형으로서, 응력제거 처리후의 마그네슘합금은 30분내에 250 내지 380℃로 가열 후, 몰드에 넣어 변형가공 진행; 압출속도1m/min 내지 8m/min, 변형가공후 공랭하는 것을 포함하는,
    휠용 마그네슘 합금의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    정련과정은 CO2 및 SF6의 혼합기체 보호 하에 진행하는,
    휠용 마그네슘 합금의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    정련 완료 후 표면의 스컴(scum)을 제거하고 몰드에 주입하여 마그네슘 합금을 제작하는,
    휠용 마그네슘 합금의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    응력제거 처리 후 압출성형하기 전 반제품 절단 및 껍질제거 공법 포함하는,
    휠용 마그네슘 합금의 제조방법.
  7. 제3항에 있어서,
    정련과정에서의 교반은 기계교반 및/혹은 아르곤 교반 포함하는,
    휠용 마그네슘 합금의 제조방법.
  8. 제3항에 있어서,
    Al-Mn중간합금은 Al-20Mn중간합금이고, Mg-Ce-La중간합금은 Mg-15Ce-10La중간합금, Mg-Ce 중간합금은 Mg-30Ce 중간합금인,
    휠용 마그네슘 합금의 제조방법.
  9. 제4항에 있어서,
    CO2 및 SF6 의 혼합기체는 체적비가 50 내지 100:1인,
    휠용 마그네슘 합금의 제조방법.
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